高速铁路桩承式路基土拱稳定性分析

高速铁路桩承式路基土拱稳定性分析

桩固定道路的土拱的稳定性直接关系到道路结构的服务性能。列车瞬时冲击荷载或长期循

环荷载的作用均有可能导致拱效应的重新调整或失稳破坏，从而导致路基面较大的变形、

道床板的开裂等,加大养护维修费川，甚至影响铁路正常使用。这一问题在变形控制要求极

为严格的高速铁路无祚物道路基结构中尤为突出。

目前有关桩承式路基中上拱效应的研究多数都是在静力条件下进行的

循环动荷载下土拱的稳定性的变化模式可分为瞬时破坏、渐变破坏和稳定三种

安定理论的提出始于20世纪30年代初,其主要研究结构在复杂加载条件下能否达到稳定

状态，以及后续塑性行为的发展趋势。土拱的动力稳定特性同样可以借助安定理论进行解

释,本文根据改进的Howlett土拱模型,对循环荷载作用下拱脚区域进行安定性分析以确定

其弹性状态、安定状态、破坏状态的临界荷载,从而给出动力作用引发土拱失稳不同阶段

的界限值。

1土拱区域内的竖向应力

在理想情况卜；土拱形成后表现为仅受截面轴力作用的合理拱轴线形式，假定土拱区域内土

体主要承受压力作用。桩间土以上路堤的自重以及表面的附加荷载,通过土拱传递于柱帽

上，使桩帽上的竖向应力大于桩间土的竖向应力，同时假定土拱区域内部将因材料摩擦力的

调动产生应力状态的改变,随荷载作用的增强,某些位置乃至整个土拱结构体中的土体可

能生成塑性点或进入极限状态，使荷载转移的效果受到影响，即土拱发生了退化、失稳和破

坏。

根据土拱的受力特点,拱顶及拱脚是最容易发生失稳破坏的位置

2桩间土及桩帽顶部应力分析

在循环荷载作用下,土拱效应的削弱具体表现为桩土应力的重新分布以及土体内部主应力

方向的偏转，使桩间上承担更多的填上荷载而桩体承担的填上荷载有所减小。假定土拱结

构体为理想弹塑性材料,基于Mohr-Coulomb屈服准则，忽略时间相关因素（速度敏感性、蠕

变等），考虑循环荷载作用为准静态过程，分析自重及循环荷载作用于桩间土及桩帽上方的

应力大小。

根据球形土拱顶部单元体的竖向受力平衡条件（图1）可得

式中：Y为路基材料重度;K

土拱顶部所受压力。

式中：s为桩中心距;d为桩帽宽度;H为桩顶至路基顶面深度。

附加循环荷载作用于拱顶的应力。

式中:P为路基顶面的循环荷载,其幅值在0至最大值P

以。

进而求解出作用于桩间土上的附加动应力为

式中：Z

将式(3)、式(6)求得的自重应力与附加动应力叠加，得作用于桩间土上的垂向应力。

作用于桩帽上的垂向应力。

式中：。

3大坝安全分析

根据经典安定理论中的Melan下限定理

3.1土拱在内外边界应力分析下的弹塑性应力响应分析

结合目前针对桩承式路基土拱效应的相关模型试验及数值研究中给出的规律

如图3所示,取上拱区内、外边界的土体单元进行分析，设作用于拱脚位置内、外边界的径

向压力分别为。

式中:K

分析土拱在内外两侧压力共同作用卜的弹塑性应力响应。将拱脚单元近似视为平面应变状

态的理想弹塑性体,当荷载幅值较小时表现为纯弹性响应,据Lame解答,径向、环向应力分

量分别为

式中:R

式中：入

在作用荷载大于弹性极限荷载后，拱脚进入部分屈服的弹塑性状态。当入〉人

设弹塑性交界面的应力边界条件为

未知项q可根据拱脚内侧立力边界条件

式(15)应在r=r

当给定一个外载荷时,其相应的r

式中：入

3.2最佳残余应力场的安定性分析

当载荷乘子满足人

对于加载过程的弹、塑性应力场。

构造不随加卸载变化的最佳残余应力场P

塑性区R

土拱的安定性分析则转化为沿拱脚径向上的一维搜索最优化问题，即

求解此数学规划问题,拱脚最内侧边界r=R

求解式(21)即可得到安定荷载乘子X

3.3土拱效应分析

文献

试验研究了动荷载幅值变化对桩土应力比的影响，并反映土拱的退化、失稳以及破坏状态。

当加载后桩土应力最终趋于相同即。

利用本文的计算方法分析该模型中的上拱效应。根据以上试验参数设置计算条件,取泊松

比u=0.3,忽略砂土黏聚力，桩间土应力不均匀系数n=3.8

4桩间距的影响

上述计算方法在确定弹性、安定、破坏荷载乘子临界值时,考虑了材料内摩擦角6、在间

距s、桩帽宽度d及填土高度H的影响。改变计算参数分析临界荷载乘子X

如图8所示,随内摩擦角即土体抗剪强度的提高,3个荷或乘子临界值均有明显的增加.临

界破坏荷载始终大于•安定临界荷载以及弹性极限荷载，在摩擦角较小时安定荷载接近弹性

极限荷载，说明在抗剪强度不足时土拱结构难以达到安定状态。

在摩擦角e=31。时，研究桩间距s变化对荷载乘子临界值的影响，如图9所示。可以看出，

增大桩间距将使临界破坏荷载、安定荷载与弹性极限荷载有所减小，说明较小的桩间距有

利于土拱在外荷载作用下的稳定性。

如图10所示,增加桩帽宽度将扩大拱脚承载面积，显著提高荷载分担能力，使临界破坏荷载

迅速增加，同时安定荷载与弹性极限荷载上升平缓，后续呈现一定的收敛趋势。当桩帽宽度

较小时弹性、安定荷载阈情小于0,表明在此条件下拱脚无法避免循环荷载作用导致的塑性

变形的产生和累积。

如图11所示，填土高度的增加对荷载临界值造成两方面影响：(1)附加荷载将沿深度哀减，

对土拱区域影响逐渐减小；(2)覆土重量的增加将导致拱脚处应力的增大。计算结果表现为

随填土高度增加,临界破坏荷载增大而弹性荷载略有减小，安定荷载则呈现先增大后减小的

趋势但变化不明显,荷载乘子最大值位于H=32cm处。

5土拱稳定特性分析

本文以桩承式路基中桩帽上方的土拱拱脚位置作为研究对象进行安定性分析，求解了土拱

稳定-失稳破坏状态间的弹性、安定、破坏荷载临界值，得出以下结论：

(1)考虑循环荷载对土拱效应的影响，改进了Hewlett土拱分析方法,可分析循环荷载引起

的附加应力及其沿深度的衰减,计算得到的桩土应力比与试验结果相近。

(2)基于Mohr-Coulomb屈服准则对拱脚处在循环荷载作用下的弹塑性行为进行分析,拱脚

处于弹性状态时无塑性区女生,发生破坏时则全断面进入塑性状态,塑性区边界随循环荷载

幅值增大而扩张。据此给出了土拱弹性极限荷载与临界破坏荷载的求解方法。

(3)通过构造最佳残余应力场的方法进行了安定性分析，经过最优化搜索，求解了反映二拱

稳定特性的安定荷载。根据模型试验参数,对于填筑高度/桩间净距约为2.5,路基材料为砂

性上的高速铁路桩承式路基，计算确定的安定荷载临界值为12.39kPa,与试验中上拱发展、

破坏规律较为符合。

(4)根据计算结果，弹性极限荷载、安定荷载、临界破坏荷载随材料内摩擦角的增大、桩间

距的减小、桩帽